Dynamic Response and Damage Regularity of Water-Saturated Sandstone Under F–T Cycles and Cyclic Impact Loading
本研究表明，冻融循环通过加速试件边缘的微裂纹成核并促进渐进式内部损伤，显著降低了水饱和砂岩的动态冲击抗力，导致随着冻融与冲击载荷的累积，峰值应力单调下降，而峰值应变与分形维数相应增加。
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在西中国高寒地区，大地本身正处于不断的围攻之下。在这里，昼夜温差极大，且随着季节更迭，困在岩石内部的水分在不断且有节奏的冻结与融化循环中往复。当水结冰时，它会膨胀，撑开岩石内部微小的裂缝。当它融化时，水分会渗入这些扩大的缝隙深处，随后再次结冰并进一步向内挤压。经过数年，这种无形的压力缓慢地将坚硬的岩石变为脆弱且易碎的状态。这一过程被称为冻融风化，是这些地区矿山、道路和隧道安全的主要威胁。当岩石已经处于饱和含水状态时，危险会进一步加剧，因为冰有更多的空间生长并造成破坏。工程师需要准确了解这种受过风化的、含水饱和的岩石在受到突然且沉重的力量（例如采矿中使用的爆破或重型机械产生的振动）冲击时，其行为表现如何。如果岩石发生意外失效，可能会引发滑坡或坍塌，从而危及生命和基础设施的安全。
为了破解这个谜题，来自中国矿业研究机构和大学的一个研究团队决定观察水饱和砂岩在经历多次冻融循环后，对反复冲击做出何种反应。他们选择了该地区常见的红砂岩，并将其切割成完美的圆柱体。首先，他们将岩石浸泡在水中直至完全饱和，确保内部没有残留空气。然后，他们将这些湿润的岩石放入一台可以模拟高地严酷环境、使温度在冰点与温暖条件之间循环的机器中。他们创建了经历了零次、十五次、三十次、四十五次和六十次此类冻融循环的岩石组。处理完成后，研究人员对每组岩石进行了一系列低应力冲击，类似于重锤连续敲击岩石五次。他们使用了一种专门的设备，能够测量岩石所能承受的精确力量，以及每次打击时岩石产生的拉伸或变形程度。为了在不破坏岩石的情况下观察其内部情况，他们使用了工业计算机断层扫描技术——一种强大的3D X射线技术，在冲击后对岩石进行扫描，以揭示隐藏的裂纹。
结果清晰地描绘出了岩石强度衰减的令人担忧的景象。研究小组发现，岩石经历的冻融循环越多，它处理哪怕单次冲击的能力就越弱，更不用说连续冲击了。对于从未经历过冻结的岩石，即使在第五次冲击后依然保持强韧，具有较高的峰值应力。然而，对于经历了六十次冻融循环的岩石，第五次冲击导致其强度比新鲜岩石下降了近三分之二。与此同时，岩石变得更加具有延展性且易于变形。研究人员观察到，随着冲击次数的增加，遭受更多冻融损伤的岩石开始更快地失效。虽然新鲜岩石在显示出重大破损迹象前可以承受五次撞击，但受损最严重的岩石在仅仅两到三次撞击后就开始崩塌。岩石的内部结构显然已经受损；反复的冻结与融化已经削弱了颗粒之间的结合力，使得岩石无法从锤击的冲击中恢复。
通过3D扫描观察岩石内部，揭示了这种失效是如何展开的。在未经过冻结的岩石中，损伤出现得很慢。在四到五次冲击后，边缘和角落才开始出现微小的裂缝。但在经历了多次冻融循环的岩石中，损伤几乎立即发生。裂纹并非随机出现；它们始终始于圆柱体的边缘和角落，即温度变化最剧烈、冰层形成最快的地方。随着冲击的持续，这些初始裂缝向内生长并扩散，最终连接成较大的裂缝，撕裂岩石。研究人员使用了一个称为“分形维数”的数学概念来衡量这些裂缝的复杂程度。他们发现，随着岩石遭受更多的冻融损伤和更多次的冲击，开裂的模式变得更加复杂和混乱，这表明失效状态更加严重。受损最严重的岩石显示出复杂度的快速增加，标志着岩石的完整性正在迅速丧失。
研究结论指出，水饱和、冻融风化与反复冲击的结合产生了一种危险的协同效应，加速了岩石的失效。这种破坏不仅仅是两个因素的简单叠加；相反，冻融循环为岩石在冲击载荷下发生灾难性失效做好了准备，而这种载荷在正常情况下是可以承受的。失效总是从表面开始，即温度变化最剧烈的地方，然后向内蔓延。这意味着在现实世界的工程中，例如寒冷地区的露天矿山，岩石边坡的外层是最脆弱的点。如果这些表面已经因季节性的冻结和融化而变弱，那么它们在矿山爆破的振动或重型设备的重量作用下，极有可能发生坍塌。这项研究提出了一个明确的警告：在这些寒冷潮湿的环境中，结构的长期安全性取决于是否考虑了这种累积损伤，因为一旦冻融循环造成影响，岩石抵抗突发力量的能力就会迅速下降。
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